CN104158141B - 保护继电器的自供电电路 - Google Patents

Abstract

一种保护继电器的自供电电路，包括整流电路部，对来自电力系统的交流电流进行整流；电源电路部，包括用于比较来自所述整流电路部的输出电压是否超过参考电压的比较器和配置为由来自所述比较器的输出来切换的半导体开关，以及为向所述保护继电器的微型计算单元提供来自所述整流电路部的作为恒定电压的输出电压；电感器，配置为当来自所述整流电路部的直流电流迅速地增长时逐渐地增加流向电感器的所述直流电流，从而增加在电感器两端的电压；以及双向二极管，其连接在所述电源电路部的输出端和地线之间，并且当提供自所述电源电路部的直流电压迅速地增长时，该双向二极管接通以形成电流的旁路。

Description

保护继电器的自供电电路

技术领域

本发明涉及一种保护继电器，并且更具体地涉及一种从作为监测目标的电力系统直接传递电力源的保护继电器的自供电电路。

背景技术

在电力系统中，电路断路器或开关设备被用于分隔部件或隔离故障电流，并且如此的电路断路器或开关设备包括作为控制器的保护继电器，该保护继电器用于执行电力控制，诸如故障电流的检测和控制电路的断路。

通常，保护继电器具有使用电池的直流(以下简称为DC)电源设备，并且一些保护继电器具有用于保护自供电源的自供电结构，使其不受交流电流(以下简称为AC)影响，来自电流互感器的输入电流提供电力系统的测量信息，并且这种类型的保护继电器称为自供电(self-power)类型保护继电器。

本发明涉及如自供电类型的保护继电器。

如下将结合图1和图2描述现有技术的关于保护继电器的自供电电路的示例。

图1为根据现有技术的示例的保护继电器的自供电电路结构的示意框图，并且图2为图1的自供电电路的具体电路图。

如图1所示，根据现有技术的示例的保护继电器的自供电电路包括整流电路部30和电源电路部40。

在图1中，数字标记20表示安装在电力系统的电力线10上的电流互感器，该电流互感器用于检测流过电力线10的电流流量，并提供检测到的电流流量。数字标记50表示微型计算单元(以下简称为MCU)，用于基于在保护继电器中所检测的电流或检测的电压确定在电力系统中是否产生故障电流，例如电流不足或过电流，并且向电路断路器输出中断控制信号(换言之，脱扣控制信号)。数字标记60表示电阻器，用于将来自电流互感器20的电流检测信号转换为成比例的电压。

整流电路部30接收来自电流互感器20的电流检测信号的交流电流，将接收到的交流电流整流为直流电流并提供该直流电流。整流电路通常可以配置为桥接二极管。

电源电路部40为防止向保护继电器的MCU50提供的电压增加到超过所需标准的电路，并且具体结构如图2所示。

如图2所示，电源电路部40可以包括比较器41和半导体开关42，该半导体开关42由比较器41控制以接通或关断。

图2的电源电路部40可以进一步包括第一电阻器R1、二极管D1、电容器C1、第二电阻器R2和参考电压产生电路部43。

在此，第一电阻器R1为电流限制电阻器，用于限制流向半导体开关42的电流流量，并且二极管D1为防回流二极管，用于阻止电流逆流向整流电路30。

电容器C1为平滑和提供恒定电压电容器，该电容器对从整流电路30流过二极管D1的直流电流进行平滑，以提供直流输出电压Vout作为预设常数电压。并且第二电阻器42为将从整流电路30流过二极管D1的直流电流转换为电压信号并提供该电压信号。

第二电阻器R2为电压形成电阻器，其负荷来自电容器C1的直流电流，以向比较器41提供电源电路部40的输出电压值。

参考电压产生电路部43为用于提供预设的防过电压参考电压以防止向保护继电器的MCU50提供的电压增加到超过所需标准的电路部。参考电压产生电路部43向比较器41提供作为输入的相应的参考电压。由参考电压产生电路部43提供的参考电压可以确定为对应于MCU50的工作电压。

比较器41比较第二电阻器R2提供的来自电源电路部40的输出电压值与自参考电压产生电路部43输入的参考电压值，并且当电源电路部40的输出电压值不小于该参考电压值时，比较器41输出用于接通半导体开关42的控制信号。当电源电路部40的输出电压值小于该参考电压值时，比较器41不输出用于接通半导体开关42的控制信号。

来自比较器41的控制信号控制半导体开关42的接通或关断。即，半导体开关42由用于接通半导体开关42的控制信号来接通，并且当没有从比较器41输出用于接通半导体开关42的控制信号时，半导体开关42关断。

以下，将结合图1和图2描述根据现有技术的示例的保护继电器的自供电电路的结构和操作。

当整流电路部30接收到来自电流互感器20的电流检测信号的交流电流，将交流电流整流为直流电流，并提供该直流电流，通过对电容器C1进行充电和放电，相应的直流电流被平滑为预定直流电压，并作为电源电路部40的输出电压Vout而向MCU50提供。

当整流电路部30连续不断的将交流电流整流转换为直流电流，并提供该直流电流，电源电路部40的电压输出Vout持续不断的增加至超过MCU50的工作电压。

然后，从第二电阻器R2所提供的电源电路部40的输出电压值不小于(即等于或大于)从参考电压产生电路部43输入的参考电压值，并且因此，比较器41输出用于接通半导体开关42的控制信号。

因此，当半导体开关42接通，来自整流电路部30的直流电流被旁路为流至地线，并且不再有电流流过MCU50。

在此状态下，MCU消耗电流，因此电源电路部40的输出电压Vout降低至小于参考电压值。

然后，比较器41不再输出用于接通半导体开关42的控制信号，并且因此，半导体开关42被关断，并且电流再次流向MCU50。

重复这个过程，可以向MCU50提供不超过MCU50的工作电压的预定直流电压。

然而，根据如上描述的现有技术的保护继电器的自供电电路中，第一电阻器R1用于限制流向半导体开关42的来自干扰电流(例如瞬态电流或来自电流互感器20的浪涌电流)的电流流量，以保护半导体开关42，但是在这种情况下，由于第一电阻器R1的电阻值被设计的相当小，小到几毫欧(mΩ)，只能在几十安培以下的电流下工作才不会损坏。

因此，如果流向第一电阻器R1的电流大于几十安培，则第一电阻器R1可能损坏，导致后面的MCU50损坏。尽管半导体开关42为大容量，这个问题也可能发生。

发明内容

因此，本发明的一个方案提供一种能够稳定工作，即使输入电流为几十到一百安培也不会损坏电路元件的保护继电器的自供电电路。

为了实现这些和其它优点，且依照本发明的目的，如此处所实施并概括地描述的，提供了一种保护继电器的自供电电路包括：

整流电路部，其配置为对来自电流互感器的交流电进行整流，所述电流互感器检测流经电力系统的电力线的电流的流量；

电源电路部，其连接到所述整流电路部的输出端，并且配置为包括用于比较来自所述整流电路部的输出电压是否超过参考电压的比较器和配置为由来自所述比较器的输出来切换的半导体开关，以及向所述保护继电器的微型计算单元提供来自所述整流电路部的作为恒定电压的输出电压；

电感器，其与所述半导体开关串联连接，并且配置为当来自所述整流电路部的直流电流迅速地增长时逐渐地增加流向电感器的所述直流电流，因此增加电感器两端的电压；以及

第一双向二极管，其连接在所述电源电路部的输出端和地线之间，并且当向所述保护继电器的所述微型计算单元提供的来自所述电源电路部的直流电压迅速地增长时，该第一双向二极管接通以形成电流的旁路。

为了实现这些和其它优点，且依照本发明的目的，如此处所实施并概括地描述的，提供了一种保护继电器的自供电电路包括：

整流电路部，其配置为对来自电流互感器的交流电进行整流，所述电流互感器检测流经电力系统的电力线的电流的流量；

电源电路部，其连接到所述整流电路部的输出端，并且配置为包括用于比较来自所述整流电路部的输出电压是否超过参考电压的比较器和配置为由来自所述比较器的输出来切换的半导体开关，以及向所述保护继电器的微型计算单元提供来自所述整流电路部的作为恒定电压的输出电压；以及

第一双向二极管，其连接在所述电源电路部的输出端和地线之间，并且当向所述保护继电器的所述微型计算单元提供的来自所述电源电路部的直流电压迅速地增长时，该第一双向二极管接通以形成电流的旁路。

根据公开的另一方案，保护继电器的自供电电路可以进一步包括：

第二双向二极管，其与所述电感器并联连接，并且所述第二双向二极管的一端与地线相连，并且当通过初始浪涌电流形成的所述电感器的电压不低于预设电压时，为了消除所述电压，接通所述第二双向二极管向所述地线释放所述电感器所增长的电压，以因此保护所述保护继电器的所述电源电路部和所述微型计算单元不受所述初始浪涌电流影响。

还根据公开的另一方案，所述第一双向二极管和所述第二双向二极管中的每一个被配置为在相对方向上串联连接的一对二极管。

还根据公开的另一方案，所述二极管被配置为齐纳二极管或瞬态电压抑制二极管。

所述电感器由具有一定厚度的允许100(一百)安培的电流流过的绕组线圈形成。

通过下文给出的详细描述，本申请的进一步适用范围将会变得更加显而易见。然而，应该理解的是，指示本发明优选实施例的详细描述和特定的示例仅仅通过阐述性的方式给出，因为在本发明的精神和范围内的各种变化和改进通过详细描述对本领域技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

附图被包含以提供对本发明进一步的理解，其与说明书结合并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的示例性实施例并且与说明书一起用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据现有技术的示例的保护继电器的自供电电路的示意框图；

图2为图1的自供电电路的具体电路结构的电路示意图；

图3为本发明的典型实施例的保护继电器的自供电电路的结构示意框图。

具体实施方式

现在将参照附图对示例性实施例给出详细说明。为了参照附图进行简要说明的目的，相同或等同的部件将设置有相同的附图标记，而不再重复其说明。

根据本发明的典型实施例的保护继电器的自供电电路，将结合图3的自供电电路的结构示意框图描述。

本发明典型的实施例公开的保护继电器的自供电电路，包括整流电路部30和电源电路部40。

在图3中，安装在电力系统的电力线(请参照图1的数字标记10)上的电流互感器(请参照图1的数字标记20)检测流过电力线上的电流流量并且提供该电流，相同的标记在附图3中省略。

在图3中数字标记50表示微型计算单元(以下简称为MCU)，该微型计算单元基于检测的电流或检测的电压确认是否在电力系统中发生故障电流，并且向电路断路器输出中断控制信号(换言之，断路控制信号或脱扣信号)，并且数字标记60表示测量负荷电阻(换言之用于形成电压的电阻器)，该测量负荷电阻将来自电流互感器的检测电流信号转换为成比例的电压信号并进行提供。

测量负荷电阻60与MCU50连接以提供电压信号(未示出，请参照图1)。

整流电路部30接收来自电流互感器20的电流检测信号的交流电流，对所接收的交流电流进行整流并进行提供。整流电路部30能够配置为桥接二极管。

电源电路部40为基本上应用保护继电器的MCU50所需的直流能量作为恒定电压的电路。电源电路部40用于防止所提供的电压增加到超过所需要的标准。

如图3所示，电源电路部40可以包括比较器41和半导体开关42，该半导体开关的接通或关断由比较器41控制。

在此，半导体开关42可以被配置为n沟道金属氧化物半导体场效应管(也简称为MOSFET)，或为包括晶闸管、绝缘栅双极型晶体管(也简称为IGBT)等的半导体开关。

比较器41比较第二电阻器R2提供的来自电源电路部40的输出电压值与自参考电压产生电路部43输入的参考电压值，并且当电源电路部40的输出电压值不小于该参考电压值时，比较器41输出用于接通半导体开关42的控制信号。当电源电路部40的输出电压值小于该参考电压值时，比较器41不输出用于接通半导体开关42的控制信号。

来自比较器41的控制信号控制半导体开关42的接通或关断。即，半导体开关42由用于接通半导体开关42的控制信号来接通，并且当没有从比较器41输出用于接通半导体开关42的控制信号时，半导体开关42关断。

图3的电源电路部进一步包括电感器L1、二极管D1、电容器C1、电阻器42、参考电压产生电路部43、第二双向二极管D2和第一双向二极管D3。

电感器L1与电源电路部40的半导体开关42串联连接。当从整流电路部30提供的直流电流迅速增加时，电感器L1可以中断该直流电流直到根据一般特性的电磁饱和，并且在电磁饱和之后，电感器L1使流过的直流电流逐渐的增长，并在此情况下，在该直流电流电感器L1两端的电压也增加。

根据本发明公开的优选实施例，为了在此可以流过100安培的电流，电感器L1由具有充足厚度的绕组线圈构成。

二极管D1为用于阻止电流逆流到整流电路30的防止回流二极管。

电容器C1为滤波和提供恒定电压电容器，该电容器对从整流电路30流过二极管D1的直流电流进行平滑，以提供直流输出电压Vout作为预定恒定电压。

第二电阻器R2为将从整流电路30流过二极管D1的直流电流转换为电压信号并提供该电压信号的电阻器。

第二电阻器R2为电压形成电阻器，其负荷来自电容器C1的直流电流，以向比较器41提供电源电路部40的输出电压值。

参考电压产生电路部43为用于提供预定(即预设)的防过电压参考电压以防止向保护继电器的MCU50提供的电压增加到超过所需标准的电路部。参考电压产生电路部43向比较器41提供作为输入的相应的参考电压。由参考电压产生电路部43提供的参考电压可以确定为对应于MCU50的工作电压。

第二双向二极管D2与电感器L1并联连接，并且第二双向二极管D2一端与地线连接，为了保护电源电路部40和保护继电器的MCU50不受初始浪涌电流冲击。

当由初始浪涌电流形成的电感器L1的电压不低于预定的电压时，即，当电感器L1的电压高于或等于预定电压时，第二双向二极管D2接通以向地线释放电感器L1两端所增加的电压，以消除该电压。在这里，该预定电压为第二双向二极管D2的门限电压。

电源电路部40的输出端与地线之间连接第一双向二极管D3。

在此种情况下整流电路部30连续不断的提供直流电流，并且MCU50仅消耗少量能量，由电源电路部40向保护继电器的MCU50提供的直流电压，即，电源电路部40的输出电压Vout，迅速地增加。在此种情况下，当增加的输出电压Vout超过门限电压时，第一双向二极管D3被接通以形成电流的旁路。据此，来自整流电路30的流向MCU50的直流电流通过第一双向二极管D3流向地线以被消耗，并且因此，向MCU50提供的直流电压，即电源电路部40的输出电压Vout下降。

根据本发明公开的实施例，第一双向二极管D3和第二双向二极管D2，分别被配置为在相互相对方向上串联连接的一对二极管。因此，直到第一双向二极管D3和第二双向二极管D2分别达到门限电压时，在两个方向上的电流才可以被截断，并且当超过门限电压的过电压形成在电感器L1上或形成为电源电路部40的输出电压，第一双向二极管D3和第二双向二极管D2可以被接通以消耗该过电压。

根据本发明的示例性实施例，第一双向二极管D3和第二双向二极管D2分别配置为齐纳二极管。因此，可以获得的效果为，在两个方向上截断电流，直到形成为齐纳二极管的第一双向二极管D3和第二双向二极管D2的门限电压分别达到齐纳电压，并且当超过齐纳电压的过电压形成在电感器L1中时或者形成为电源电路部40的输出电压Vout时，第一双向二极管D3和第二双向二极管D2可以被接通以消耗该过电压。

本发明另一方案公开了，第一双向二极管D3和第二双向二极管D2可以配置为瞬态电压抑制二极管(以下简称为TVS)。

同时，将结合附图3描述根据本发明公开的典型实施例的保护继电器的自供电电路的结构和操作。

当整流电路部30接收到来自电流互感器(在图3中未示出，但可以参照图1的数字标记20)的检测信号的交流电流，将交流电流整流为直流电流，并提供该直流电流，通过对电容器C1进行充电和放电，相应的直流电流被平滑为恒定直流电压，并作为电源电路部40的输出电压Vout向MCU50提供。

当整流电路部30连续不断的将交流电流整流转换为直流电流，并提供直流电流，并且MCU50仅消耗少量电能，电源电路部40的电压输出Vout持续不断的增加至超过MCU50的工作电压。

然后，从第二电阻器R2所提供的电源电路部40的输出电压值不小于(即等于或大于)从参考电压产生电路部43输入的参考电压值，并且因此，比较器41输出用于接通半导体开关42的控制信号。

因此，当半导体开关42接通，来自整流电路部30的直流电流由旁路流至地线，并且不再有电流流过MCU50。

在此状态下，电源电路部40的输出电压Vout降低至小于参考电压值。

然后，比较器41不再输出用于接通半导体开关42的控制信号，并且因此，半导体开关42被关断，并且电流再次流向MCU50。

重复这个过程，可以向MCU50提供不超过MCU50的工作电压的预定直流电压。

此外在正常状态下，例如，如果从电流互感器输入的检测电流为几十安培到一百安培，MCU50的耗电量很小，并且通过比较器41控制的半导体开关42的接通控制速度不是很快，然后，电源电路部40的输出电压值可能会增加到非常高。

即使在这种情况下，由于根据本发明典型实施例所公开的保护继电器的自供电电路包括第一双向二极管D3(当向保护继电器的MCU50提供的来自电源电路部40的直流电压即电源电路部40的输出电压Vout迅速地增加时，第一双向二极管D3被接通)。电流的流过第一双向二极管D3流至地线的旁路被形成以迅速地降低所迅速地增加的直流电压，并且因此，电源电流部40和MCU50可以被保护而不受电源电路部40所增加的输出电压Vout的影响，电源电路部所40增加的输出电压Vout是由来自电流互感器的大检测电流所引起，该大检测电流处于几十安培至一百安培的水平。

而且，当由浪涌电流形成的电感器L1的电压不低于预定电压，即，当电感器L1的电压等于或大于第二双向二极管D3的预定门限电压，第二双向二极管D3可以被接通以向地线释放电感器L1上所增加的电压并消除它。

如上所述，由于根据本发明典型实施例公开的用于保护继电器的自供电电路包括电感器，该电感器与电源电路部的半导体开关串联连接以逐渐增加流过的直流电流，并且当来自整流电路部提供的直流电流迅速地增加时，该电感器两端的电压增加，以对保护继电器的自供电电路和MCU进行保护，不受来自整流电流部由于初始浪涌电流所引入的迅速地增加的直流电流的影响。

而且，由于根据本发明典型实施例公开的保护继电器的自供电电路包括第一双向二极管，当向保护继电器的MCU提供的来自电源电路部的直流电压迅速地增加，第一双向二极管被接通，可以形成电流的旁路，电流流过第一双向二极管以降低所增加的直流电压。

此外，由于根据本发明典型实施例公开的保护继电器的自供电电路包括第二双向二极管，该第二双向二极管与电感器并联连接，并且第二双向二极管的一端与地线连接，当由初始浪涌电流形成的电感器的电压不高于预定电压时，第二双向二极管接通以向地线释放电感器上所增加的电压并消除它，保护继电器的电源电路部和MCU可以被保护，不受初始浪涌电流冲击。

根据本发明的典型实施例公开的保护继电器的自供电电路中，由于第一双向二极管和第二双向二极管中的每一个被配置为在相对方向上相互连接的一对二极管，直到第一双向二极管和第二双向二极管分别达到门限电压时，在两个方向上的电流才可以被截断，并且当超过门限电压的过电压形成为电感器或电源电路部的输出电压时，第一双向二极管D3和第二双向二极管D2可以被接通以消耗该过电压。

前述实施例及优点仅仅是示例性的，而不应当解释为对本公开进行限制。本教导能够容易地应用于其它类型的装置。本说明书意图是阐释性的，而不限制权利要求的范围。许多可选方案、改进及变型对于本领域技术人员来说将是显而易见的。这里所描述的示例性实施例的特征、结构、方法和其他特性可以通过各种方式进行组合，以获得另外的和/或可选的示例性实施例。

由于可以在不偏离其特性的情况下以多种形式来实施本发明的特征，因此还应当理解的是，上述实施例不受前述说明书的任一细节的限制，除非另有说明，而是应当在如所附权利要求限定的范围内进行宽泛的解释，因此落在权利要求的边界和界限或者这些边界和界限的等同范围内的全部改变和改进旨在被所附的权利要求所包含。

Claims (4)

1.一种保护继电器的自供电电路，其特征在于，所述自供电电路包括：

整流电路部，其配置为对来自电流互感器的交流电进行整流，所述电流互感器检测流经电力系统的电力线的电流的流量；

电源电路部，其连接到所述整流电路部的输出端，并且配置为包括用于比较来自所述整流电路部的输出电压是否超过参考电压的比较器和配置为由所述比较器的输出来切换的半导体开关，以及向所述保护继电器的微型计算单元提供来自所述整流电路部的作为恒定电压的输出电压；

电感器，其与所述半导体开关串联连接，并且配置为当来自所述整流电路部的直流电流迅速地增长时逐渐地增加流向电感器的所述直流电流，因此增加电感器两端的电压；

第一双向二极管，其连接在所述电源电路部的输出端和地线之间，并且当向所述保护继电器的所述微型计算单元提供的来自所述电源电路部的直流电压迅速地增长时，该第一双向二极管接通以形成电流的旁路，所述第一双向二极管与所述电感器并联连接；以及

第二双向二极管，其与所述电感器和所述半导体开关的串联电路并联连接，并且所述第二双向二极管的一端与地线相连，并且当通过初始浪涌电流形成的所述电感器的电压不低于预设电压时，为了消除所述电压，接通所述第二双向二极管向所述地线释放所述电感器所增加的电压，以因此保护所述保护继电器的所述电源电路部和所述微型计算单元不受所述初始浪涌电流影响。

2.如权利要求1所述的自供电电路，其中所述第一双向二极管和所述第二双向二极管中的每一个被配置为在相对方向上串联连接的一对二极管。

3.如权利要求2所述的自供电电路，其中所述二极管被配置为齐纳二极管或瞬态电压抑制二极管。

4.如权利要求1所述的自供电电路，其中所述电感器由具有一定厚度的允许100安培的电流流过的绕组线圈构成。